El kit de herramientas de simulación ExaSMR avanza en el diseño de reactores nucleares

Las alternativas a las fuentes de energía que producen carbono se están volviendo cada vez más imprescindibles a medida que el cambio climático muestra sus efectos en la Tierra y en nuestra vida diaria. Aunque los combustibles fósiles aún generan gran parte de la electricidad en los Estados Unidos, las empresas de servicios públicos están agregando cada vez más fuentes renovables como la eólica y la solar a sus carteras de energía.

En 2021, el 20 % de la electricidad del país provino de energías renovables frente al 61 % de combustibles fósiles. Pero para 2050, se proyecta que ambos suministren el 44% a medida que las energías renovables continúen aumentando y los combustibles fósiles disminuyan.

¿Dónde deja eso a la energía nuclear pasada de moda?

Durante los últimos 20 años, los reactores de fisión han producido una porción casi invariable de la electricidad del país: alrededor del 20%. Pero ese porcentaje podría comenzar a aumentar pronto, ya que los nuevos enfoques de diseño y las tecnologías de los reactores prometen transformar la industria de la energía nuclear.

El advenimiento de los reactores modulares pequeños (SMR) y los conceptos de reactores avanzados (ARC) señala una nueva generación de energía de fisión. A diferencia de la mayoría de los reactores nucleares comerciales actuales, los SMR son sustancialmente más pequeños y utilizan diseños estandarizados, lo que reduce los costos de construcción y el tiempo de producción. Mientras tanto, los ARC exploran nuevas tecnologías para producir energía de fisión de manera más eficiente y segura. Ambos esfuerzos utilizan simulaciones por computadora para predecir la viabilidad de los diseños propuestos y mejorarlos. Pero ejecutar tales modelos de dinámica de fluidos y transporte de neutrones puede ser computacionalmente exigente y costoso, lo que limita su uso por parte de la industria.

Exascale SMR (ExaSMR), que es un proyecto de software de computación de alto rendimiento (HPC) respaldado por el Proyecto de Computación Exascale (ECP) del Departamento de Energía de los EE. correr, y más preciso que el estado actual del arte.

«Al predecir con precisión el ciclo de combustible del reactor nuclear, ExaSMR reduce la cantidad de experimentos físicos que los diseñadores de reactores realizarían para justificar el uso de combustible. En gran parte, eso es lo que la simulación está comprando a las empresas: una capacidad predictiva que le dice cómo se desempeñarán ciertas funciones. por lo que no es necesario construir físicamente o realizar tantos experimentos, que son enormemente costosos», dijo Steven Hamilton, líder del proyecto ExaSMR y científico de I + D en el Grupo de Métodos HPC para Aplicaciones Nucleares en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE.

El proyecto ExaSMR está trabajando para proporcionar a los ingenieros de la industria nuclear las simulaciones de sistemas de reactores de mayor resolución hasta la fecha y, a su vez, ayudar a avanzar en el futuro de la energía de fisión.

Acoplamiento de códigos de física en un todo más poderoso

Los reactores nucleares generan electricidad dividiendo núcleos de uranio para liberar energía en barras de combustible. El agua se calienta con esta liberación de energía y se calienta lo suficiente como para convertirse en vapor que hace girar las turbinas que producen electricidad. ExaSMR integra los códigos informáticos más fiables disponibles para modelar las diferentes físicas de esta operación, creando así un conjunto de herramientas que puede predecir todo el proceso de fisión del diseño de un reactor. Este kit de herramientas incluye Shift y OpenMC para transporte de partículas de neutrones y agotamiento de reactores y NekRS para dinámica de fluidos térmicos.

Aunque la mayoría de estos códigos ya están bien establecidos en la ciencia y la industria, el equipo de ExaSMR les ha dado un cambio de imagen completo de HPC. Durante los últimos 6 años, los investigadores de ORNL, el Laboratorio Nacional de Argonne (Argonne), el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State) han estado optimizando los códigos para la nueva generación de supercomputadoras de clase exaescala aceleradas por GPU, como Frontier de ORNL y la próxima Aurora de Argonne.

El desarrollo de OpenMC ha sido dirigido por Paul Romano, y John Tramm ha realizado un importante trabajo de optimización de GPU para Aurora; Romano y Tramm son científicos computacionales en Argonne. Shift fue creado originalmente por Thomas Evans, líder del grupo de métodos HPC para aplicaciones nucleares de ORNL, y ahora está optimizado para Frontier.

Ambos códigos usan métodos de Monte Carlo, técnicas computacionales que usan un gran número de muestras aleatorias para calcular los resultados probables de los modelos, para simular cómo los neutrones que se mueven a través del reactor nuclear interactúan con los isótopos, como el uranio, y causan los eventos de fisión que generan calor. en las barras de combustible del reactor. Los dos códigos también modelan cómo estos isótopos evolucionan con el tiempo, lo que predice la vida útil del reactor.

NekRS, un solucionador de dinámica de fluidos computacional desarrollado por Elia Merzari, profesor asociado de ingeniería nuclear en Penn State, describe esencialmente cómo se moverá y comportará el agua cuando se caliente con los cilindros de combustible del reactor. El ENRICO (Exascale Nuclear Reactor Investigative Code) del equipo ExaSMR, también desarrollado por Romano, permite que OpenMC y NekRS interactúen.

«Lo que estamos haciendo en ExaSMR es una simulación física acoplada entre el transporte de neutrones y la dinámica de fluidos: tienes estos dos códigos físicos que se comunican entre sí», dijo Hamilton. «El transporte de neutrones te dice dónde se genera el calor. Ese calor se convierte en un término fuente para el cálculo de la dinámica de fluidos. La dinámica de fluidos te dice qué temperatura resulta de esa fuente de calor. Y luego puedes ajustar los parámetros en la simulación hasta tanto el transporte de neutrones como la dinámica de fluidos están de acuerdo».

La capacidad de ExaSMR para modelar con precisión en alta resolución todo el proceso del reactor, prediciendo así cuánto calor producirán los eventos de fisión del reactor, la capacidad del reactor para transferir ese calor a los generadores de energía y la expectativa de vida de todo el sistema, brinda a los ingenieros conocimientos clave para garantizar la seguridad y la eficiencia de los diseños de sus reactores.

Planificar con anticipación para evitar obstáculos

Cuando el proyecto ECP y ExaSMR comenzó en 2016 para preparar aplicaciones y herramientas de software para sistemas de exaescala, esas supercomputadoras aún no existían, ni siquiera en papel. El equipo se enfrentó al desafío de determinar cómo optimizar mejor los códigos para los sistemas que estaban a años de ser finalizados.

«Al comienzo del proyecto, ni siquiera sabíamos exactamente cómo serían las arquitecturas de las máquinas a exaescala», dijo Hamilton. «Definitivamente fue un desafío diseñar nuestros códigos mientras miramos hacia el futuro con la confianza de que podríamos ejecutar de manera efectiva en los próximos sistemas».

El equipo se enfrentó no solo a la tarea de acoplar estos códigos separados para su nuevo escenario de caso de uso de simulaciones de reactores de alta fidelidad a gran escala, sino también al desafío de adaptarlos a nuevas arquitecturas informáticas con procesadores aún desconocidos. Esta incertidumbre significó empujar los límites de los compiladores y los paquetes de software al probar casos de uso que iban mucho más allá de lo que se había probado el software en ese momento, y comenzó un proceso continuo de comunicación constante.

«Requería que interactuáramos e iteráramos con los proveedores de hardware y las empresas que producen el software para asegurarnos de que sus productos puedan manejar nuestros casos de uso. Tenemos investigadores que han estado en contacto casi a diario con personas que escriben compiladores para las máquinas. y tratando de identificar problemas e implementar funciones que se necesitan para compilar y ejecutar nuestros códigos», dijo Hamilton.

Éxito al fin

La interacción del equipo con los proveedores y desarrolladores dio sus frutos con mejoras sustanciales en los métodos y algoritmos utilizados por los códigos, lo que generó grandes ganancias en el rendimiento. Con sus ejecuciones iniciales en Frontier, ExaSMR superó los objetivos de aceleración del equipo para sus códigos.

Shift realizó simulaciones de SMR en hasta 8192 nodos de Frontier e implicó simular más de 250 000 millones de historiales de neutrones por iteración. El rendimiento logrado en estas simulaciones es más de 100 veces mayor que el de las simulaciones de referencia realizadas en la supercomputadora Titan (es decir, la supercomputadora más poderosa de los EE. UU. en 2016) y más del doble del objetivo de mejora del rendimiento de 50 veces de Titan a Frontier.

NekRS realizó simulaciones SMR en hasta 6400 nodos de Frontier, incluida la simulación de flujo de fluido de reactor más grande realizada hasta la fecha con más de mil millones de elementos espaciales. El rendimiento máximo en Frontier refleja una mejora de más de 125 veces con respecto a las simulaciones de referencia correspondientes realizadas en Titan.

¿Qué le espera a ExaSMR?

En asociación con Westinghouse, que es un productor de tecnología de energía nuclear comercial, el equipo de ExaSMR solicitó una subvención del DOE Office of Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge. Westinghouse quiere evaluar el impacto del uso de combustible de mayor enriquecimiento que el que se usa actualmente en sus reactores. Ejecutar ExaSMR en Frontier les permitirá realizar simulaciones de alta fidelidad para predecir cómo se comportarían los diferentes tipos de combustibles si se utilizaran en un reactor actualmente en funcionamiento.

Del mismo modo, Hamilton quiere aplicar ExaSMR a las tecnologías ARC actuales que se están explorando en la industria energética, como las que se están desarrollando como parte del Programa de demostración de reactores avanzados de la Oficina de Energía Nuclear del DOE. El programa trabaja con empresas comerciales para ayudar a acelerar la demostración de reactores avanzados proporcionando financiación inicial. Dos de estos reactores están programados para su implementación a corto plazo para 2027: el reactor de lecho de guijarros Xe-100 de X-energy y el reactor rápido enfriado con sodio Natrium de TerraPower. Cinco diseños adicionales de Kairos, Westinghouse, BWX Technologies, Holtec International y Southern Company están aumentando para su implementación a largo plazo.

Hamilton prevé que ExaSMR se convierta en una herramienta indispensable para las empresas que están entrando en una nueva era de energía nuclear.

«Varias empresas están explorando diferentes tipos de diseños de reactores en la actualidad, y las simulaciones de alta fidelidad y alto rendimiento que estamos desarrollando tienen muchas características atractivas para los diseñadores», dijo Hamilton. «Es poco probable, en un futuro cercano, que tengamos suficiente confianza en las simulaciones para reemplazar completamente los experimentos, pero si podemos reducir la cantidad de experimentos que se realizan, entonces puede haber enormes ganancias financieras para estas empresas».